Введение к работе
Актуальность работы. Начиная с 1999 г. в Российской Федерации происходит заметный ежегодный прирост добычи нефти, развитие сети магистральных трубопроводов и формирование новых экспортных направлений транспортирования. Однако, как показывает практика, полностью исключить аварии, связанные с процессом транспортировки нефтепродуктов и снизить до нуля вероятность их возникновения, невозможно. Поэтому возникает необходимость осуществления более тщательного прогнозирования последствий аварийных разливов.
Вопросам изучения и моделирования распространения нефтяных загрязнений в гидросфере посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов: Р.Н. Бахтизина, СМ. Вайнштока, И.А. Мерициди, В.И. Ларионова, В.Д. Рябова, В.М. Журбаса, Дж. Фей, П. Блоккер, X. Шен, П. Яппа и др., а также ряд нормативно-методических документов. Однако не существует методики прогнозирования распространения и трансформации нефтяных загрязнений по малым водотокам, рассматривающей совместно процессы растекания и переноса нефтяного загрязнения, а также учитывающей осаждение нефти на береговую растительность. Создание подобной методики позволит повысить эффективность планирования и оперативного управления мероприятиями по локализации и ликвидации аварийных разливов.
Необходимость решения современных задач по обеспечению техногенной и экологической безопасности, в частности при попадании нефтяных загрязнений в малый водоток, требует построения специальных математических моделей, описывающих всю совокупность происходящих процессов, и их реализацию с помощью разработки комплексной модели.
Цель работы. Целью диссертационной работы является создание комплексной модели распространения и трансформации нефтяных загрязнений при их попадании в русла малых рек для повышения точности систем прогнозирования.
В диссертации, для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
исследована адекватность существующих математических моделей процессов распространения аварийных разливов нефти применительно к руслам малых водотоков для систем прогнозирования последствий таких разливов;
разработан комплекс математических моделей, описывающий процессы переноса и трансформации нефтяного загрязнения при попадании нефти в русло малого водотока;
проведена серия экспериментов для установления зависимости объема осевшей на растениях нефти от морфологии растений;
разработана географическая информационная система малого водотока;
проведены: численное моделирование, отработка и практическая реализация результатов исследований.
Основные научные результаты, выносимые на защиту:
комплексная модель распространения и трансформации нефтяного загрязнения при попадании нефти в русло малого водотока;
статистическая модель зависимости объема осаждающейся на береговых растениях нефти от толщины слоя нефтяного разлива, площади поверхности прибрежной растительности, условного типа растений и площади пятна контакта нефтяного загрязнения с береговой поверхностью;
принципы интеграции географической информационной системы (ГИС) и комплексной модели прогнозирования последствий распространения и преобразования аварийных разливов нефти, а также структурная схема такой системы;
результаты вычислительных экспериментов, компьютерного и имитационного моделирования распространения и трансформации нефти с использованием ГИС применительно к реальным водным объектам, их сравнения с имеющимися экспериментальными данными;
Научная новизна работы. В работе решена важная научная и практическая задача прогнозирования распространения и трансформации нефти при попадании в малый водоток, а именно:
- разработана комплексная математическая модель процессов распро
странения и трансформации нефти при ее попадании в малые водотоки, учиты
вающая характер прибрежной растительности, тип берегового и донного грун
та, и свойства нефти;
- установлены теоретические зависимости скорости растекания нефти для
гравитационно-инерционной и гравитационно-вязкой фаз по участкам водото
ков малых рек от ее объема и времени с начала разлива;
разработана статистическая модель, описывающая процессы сорбции нефти на береговую поверхность, учитывающая морфологические особенности растительности и характеристики фунта;
установлено значение сорбционной способности основных видов береговой растительности;
разработанная комплексная модель позволяет учитывать больше параметров, чем в случае ранее использовавшихся методик, что повышает точность прогнозируемых значений распространения и трансформации нефтяного загрязнения в условиях малого водотока.
Практическая значимость. Предложенные алгоритмы и комплексная модель позволяют повысить точность расчетных данных и облегчить их интеграцию в системы прогнозирования аварийных разливов.
Использование разработанных математических моделей и полученных на их основе алгоритмов, программных комплексов и расчетных результатов повышает точность систем прогнозирования и сокращает продолжительность разработки планов ликвидации аварийных разливов нефти (ПЛАРН) в руслах малых рек.
Реализация работы. Разработанные математические модели и полученные на их основе расчетные результаты использованы в ЗАО «НПФ "ДИЭМ"» для оценки и прогнозирования воздействия разливов нефти на водотоки. Ис-
пользование полученных результатов и разработанных на их основе программ для ЭВМ позволило существенно повысить качество и оперативность оценки ущербов окружающей среде при принятии решений по компенсационным мероприятиям.
Объект исследования. Процессы распространения и трансформации нефти при её попадании в малые водотоки.
Предмет исследования. Математические модели процессов распространения и трансформации нефти при её попадании в малые водотоки для систем прогнозирования аварийных разливов и анализа их последствий.
Методы исследования. В процессе теоретических и экспериментальных исследований использованы: элементы теории математического моделирования, методы теоретической и прикладной гидродинамики, методы статистического анализа, теория планирования эксперимента. Для оценки достоверности разработанного комплексной математической модели проводился вычислительный эксперимент на основе данных аварийного нефтяного разлива. Полученные данные обрабатывались с использованием методов математической статистики и геоинформационного моделирования.
Апробация работы. Изложенные в настоящей диссертационной работе материалы докладывались на: XXXIV, XXXV, XXXVI Гагаринских чтениях в 2007, 2008, 2009 гг.; Всероссийской НТК «Новые материалы и технологии НМТ-2007», Москва, 2007 г.; Седьмой Всероссийской НТК «Управление качеством», Москва, 2008 г.; 3-ей Всероссийской научно-технической Интернет-конференции «Экология и безопасность», Тула, 2008 г.; 46-ой международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 2008 г.; научных семинарах кафедры: «Промышленная экология и безопасность производства» МАТИ.
Публикации по теме исследования. По результатам проведенных исследований опубликовано 15 работ (список основных работ приведен в конце автореферата), в том числе 4 работы в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 144 страницах и включает в себя оглавление, введение, 4 главы собственных исследований, заключение, список литературы из 106 наименований и 2 Приложения. Работа проиллюстрирована 47 рисунками и содержит 21 таблицу.
Похожие диссертации на Моделирование распространения аварийных разливов нефти по участкам водотоков малых рек
